三相電力電子負載特性與設計研究.pdf

1、隨著大量電源設備在人們生產、生活中各個領域里的大量應用，對電源性能的測試設備的要求也越來越高。傳統(tǒng)的電源測試設備是采用無源器件連接而成，如電阻絲、電感、電容等，存在著能耗高、體積大、特性模擬不靈活等缺點。
　　 本文主要針對三相被試電源設備，如UPS、逆變器等，應用電力電子技術，采用雙PWM 變換器構成背靠背系統(tǒng)的主電路拓撲，設計了一套三相電力電子負載裝置(PEL)。該裝置由模擬負載變換器和并網變換器組成，其中模擬負載變換器的主

2、要功能是靈活、準確的模擬各種實際負載特性，如三相平衡阻性負載、阻感性負載、阻容性負載、三相不平衡負載、非線性負載、動態(tài)負載等；而并網變換器的主要功能一方面是將模擬負載變換器吸收的有功高效、快速地回饋電網以維持直流母線電壓的恒定，另一方面還需要補償被試電源設備對電網的諧波污染，即保證整個試驗系統(tǒng)是綠色的、節(jié)能的。
　　 由于系統(tǒng)的核心是三相電壓源型PWM 整流器（VSR），因此本文推導了VSR的基本數學模型，在此基礎上，對其在αβ

3、坐標系下的工作原理、控制方法等進行了詳細地分析，尤其對其直流母線電壓的諧波特性及其對系統(tǒng)的影響進行了研究。
　　 模擬負載變換器電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度以及動態(tài)性能是決定PEL 性能的主要性能指標。在主電路參數設計好之后，其電流控制方法的選擇與設計就顯得尤為重要。本文比較了各種控制方法，如PID 控制、滯環(huán)控制、單周控制等，最后從綜合性能考慮，選擇了能夠對正弦交流指令進行無靜差跟蹤以及對正弦干擾具有較好抑制能力的諧振控制器作為模擬負載變

4、換器電流環(huán)的基本控制器。應用根軌跡對系統(tǒng)的零、極點進行分析時發(fā)現，將傳統(tǒng)的諧振控制器應用于PEL，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。因此，本文采用零極點對消法以及超前校正控制器對傳統(tǒng)的諧振控制器進行改進，保證了系統(tǒng)在連續(xù)域里的穩(wěn)定性及較好的動態(tài)性能。實際的控制系統(tǒng)采用的是基于DSP的數字控制系統(tǒng)，常常采用滯后一拍控制來避免采樣及計算延時帶來的占空比丟失問題。由于滯后一拍對中頻段相角特性的影響降低了系統(tǒng)的相角裕度，原本連續(xù)域中穩(wěn)定的系統(tǒng)在離散域中變得不穩(wěn)定

5、。本文應用狀態(tài)觀測器對電流進行提前一拍預測，并且采用重復補償器對周期性的觀測誤差進行補償，由于控制對象階數較低，狀態(tài)觀測器設計相對簡單，實際應用也較為容易。
　　 傳統(tǒng)的并網變換器只回饋有功能量，而實際上被試電源可能對電網產生大量諧波污染，因此本文研究了對被試電源的諧波污染進行補償的方法。對被試電源輸入電流諧波的快速、準確檢測是諧波補償的前提，本文采用變步長自適應濾波算法作為諧波檢測算法，對其基本原理及設計方法進行了分析與研究。

6、傳統(tǒng)的變步長自適應濾波算法僅僅將基波有功及無功電流幅值作為權值，導致穩(wěn)態(tài)誤差中含有占比重較大的低次諧波成分，所以其步長收斂值以及權值穩(wěn)態(tài)值中均含有較大的諧波含量，嚴重影響了檢測的精度。本文將25次以下各低次諧波幅值均作為權值進行自適應濾波，穩(wěn)態(tài)誤差中的諧波含量大大減少，保證了諧波檢測的準確性。電流環(huán)控制器的性能是并網變換器能否實現其功能的保證。本文采用一種PI 控制器+重復控制器串聯的復合控制結構作為電流環(huán)控制器，其中PI 控制器的主要

7、功能是抵消控制對象的低頻極點對系統(tǒng)性能的影響，增大電流環(huán)的帶寬；PI 控制器對交流正弦信號無法做到無靜差跟蹤，重復控制器的主要功能是消除PI 控制器的穩(wěn)態(tài)誤差，同時抑制周期性的外部擾動，保證系統(tǒng)的魯棒性。由于PI 控制器已經對系統(tǒng)進行了較好的校正，重復控制器設計相對簡單，其中的校正環(huán)節(jié)僅僅用一個截止頻率較高的低通濾波器+相位補償即可。
　　 本文中的理論分析及控制方法均應用MATLAB 軟件進行了相關仿真驗證。同時，搭建了一臺功